虚实并举的可交互过程在工程设计教学中的应用研究

袁士宝 蒋海岩 蔡文斌 任宗孝 周德胜

摘要：在工程设计教学过程中，以往的动画或者实验演示视频教学，是既不能打开操作，又不能从外部直接观察其内部状态的系统。文章使用虚实并举的可交互过程，根据所设定的地层和施工参数，通过软件对压裂模型进行选择，并计算得到最优压裂几何形状，可以将“黑箱问题”转化为“灰箱问题”，对参数进行直接修改。通过该虚拟仿真实验教学系统，可以使学生直观地看到参数变化对水力压裂的影响。通过虚实结合的可交互过程，既可以展示设计内容的直接效果，又得到了教学讲授相关的计算原理及应用效果，使学生深入理解工程设计与应用过程。

关键词：水力压裂;可交互过程;虚拟仿真;实验教学;石油工程

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）38-0170-02

工程设计教学需要师生共同完成一个工程设计类项目的工作，该教学过程以某工程设计任务为引领，做到教、学、做融为一体，这不仅能提高学生的兴趣，还能提高学生解决实际问题的能力。这就要求教学方法转变到以项目和任务目标为中心上来。

由于工程设计涉及大量复杂的计算，纯理论讲述使学生失去代入感，而专业软件实操又将大部分理论黑箱化，因此二者都不适合在工程设计类教学中应用。为了解决这一问题，作者设计了虚实结合的教学方法，在实际教学过程中取得了较好的效果。

目前水力压裂技术是油水井增产增注的主要措施，充分掌握水力压裂技术在今后的学习和工作中将发挥重要作用。但是在实际教学过程中，石油工程专业的学生对于水力压裂技术的理解只停留在书本的抽象描述中，对于真正压裂过程中的各种参数，包括确定地下岩石泊松比的大小、岩石弹性模量、压裂液粘度、压裂排量、设计裂缝半长、地层压裂车的多少、压裂时间等一系列条件对压裂效果有什么影响并没有清楚的认知。因此，为了在实际教学中加强学生对于理论知识的学习和掌握，急需有一个可交互的虚拟仿真實验教学系统，促进教学工作的进一步完善以及学科建设的进一步发展。

一、可交互水力压裂教学软件设计

计算机的Visual Basic语言的可视化编程可以很好地满足建立虚拟仿真实验教学系统的要求。在对裂缝二维模型的裂缝几何形状进行计算时，首先在窗体上设置各个参数的输入对话框，当所有的必要参数全部编写完成后，在计算方面，调用之前所编写的参数对话框中的输入值，通过计算公式与之对应，就可以快速地得到所需要的裂缝几何形状，从而摆脱了烦琐的人工计算。同时其也在界面上展示了不同模型的示意图和假设条件，并且在每个模型模拟压裂过程中会根据他们的假设条件，给出压裂过程中的裂缝长度和裂缝宽度的动画演示图，这样教师在日后的二维模型教学过程中就可以更好地将程序展示给学生，使学生对于二维模型的认识更加深刻，对初期的压裂有进一步的认识。

该交互式软件为学生提供了一个室内现场模拟操作平台，学生通过实践能够了解油层酸化、水力压裂的基本概念，熟悉现场布局、设备操作。该模块由模拟混砂车操作控制台、压裂车操作控制台、多媒体教学系统三大部分构成。教师可以利用多媒体动画课件模拟现场，通过多媒体教学投影系统讲解演示压裂酸化工具结构、原理以及压裂酸化作业流程。利用仿真模拟预期水力压裂的效果，让学生能直观地看出地层起裂过程，也可以改变部分参数并进行不同情况下（两套以上）的起裂时间与裂缝几何参数等效果对比，让学生能够直观评价地层水力压裂方案的可行性。

在程序设计中，利用其高度的可视化特点可以在其界面设置一系列的操作区域，如输入区域、计算区域和演示区域。其中在PKN模型的可视化窗体上显示的模型假设条件可以很清楚地知道PKN模型的假设来源，方便学生了解其原理。模型的示意图展示了PKN模型所计算的裂缝在地下的分布状况，在输入参数方面显示了地层参数和施工参数的输入框，可以输入一系列的施工或者地层参数;计算区域则根据输入框的参数值，应用计算公式得到裂缝的几何形状;公式展示区域显示了裂缝几何形状的计算公式，方便学生自己推导计算;最后的裂缝压裂过程中的模拟动画，则更加直观地展现了地层裂缝从开始压裂到结束的裂缝变化状态。

这样在程序的界面上就完全展示了PKN模型的所需要素。只要用户输入合适的参数，就会得到人们想要的裂缝几何形状（图1）。

在其他压裂计算模型的模块中也采用相同的设计原理，通过简单明了地输入计算演示功能可以很好地使学生理解不同模型的适用性和区别。

二、可交互水力压裂教学软件的应用

根据虚拟现实视觉、听觉和触觉等优势，水力压裂虚拟仿真实验教学系统有以下特色：

1.外部与内部仿真相结合，原理与设计并举。本软件在操作演示的同时，还注重剖析内部的本质变化，详细还原了压裂过程中的地层起裂等过程，使学生能够更加深入地理解工程工艺原理的相关教学内容。

2.直观反映工程设计与效果之间的影响，变“黑箱问题”为“灰箱问题”。以往的动画或者实验演示视频，既不能打开操作，又不能从外部直接观察其内部状态的系统。该虚拟仿真实验教学系统首先从整理好的算例出发，预定两套以上仿真方案，并能够进行不同参数下的仿真模拟，在基本展示水力压裂的直接效果的基础上，又得到了教学讲授相关的计算及原理应用效果，使学生深入理解水力压裂的工艺工程设计与应用过程。

三、结论

在实际教学中，该虚拟仿真实验教学系统同时实现了演示和交互的双重目的，为学生提供了一个室内现场模拟操作平台，让学生能直观地看出地层起裂过程。此外，还可以改变部分参数并进行不同情况下的起裂时间与裂缝几何参数等效果对比，让学生能够直观评价地层水力压裂方案的可行性，从而使学生深入掌握在教学过程中该部分的计算与设计原理，激发学生的科研兴趣，加深对基础知识的综合理解，培养学生的创新能力。

致謝：本文得到教育部国际交流与合作司来华留学英语授课品牌课程、西安石油大学教改课题（XGH17089）《虚实并举的可交互工程设计类课程教学模式探索》、陕西省高等教育学会2017年度高等教育科学研究项目资助，在此表示感谢。

Research on the Application of the Interactive Process of Virtual Reality in Engineering Design Teaching

YUAN Shi-bao，JIANG Hai-yan，CAI Wen-bin，REN Zong-xiao，ZHOU De-sheng

（Xi'an Shiyou University，Xi'an，Shaanxi 710065，China）

Abstract：In the course of engineering design teaching，the previous animation or experimental demonstration video teaching can neither open the operation nor directly observe the internal state of the system from the outside.In this paper，according to the formation and operation parameters set，the fracturing model is selected by software，and the optimum fracturing geometry is obtained by using the interactive process of virtual reality.The "black box problem" can be transformed into "grey box problem".Directly modify the parameters.Through the virtual simulation experiment teaching system，students can see directly the influence of parameter change on hydraulic fracturing.Through the interactive process of the combination of real and virtual，we can display the The direct effect of calculating content has also obtained the calculation principle and application effect related to teaching and teaching，which makes the students understand the engineering design and application process deeply.

Key words：hydraulic fracturing;interactive process;virtual simulation;experimental teaching;petroleum engineering